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水立方日前获2010国际桥协杰出结构大奖

2019-09-26

新技术撑起水立方泡泡盒子

前不久,国家游泳中心水立方获得了2010年国际桥协杰出结构大奖。国际桥梁及结构工程协会主席波波维奇对水立方给出了极高的评价。他说,国家游泳中心诞生于工程学和美学之上,它是杰出团队协作的结晶。湛蓝色的水立方不仅成了游客眼中一道美丽的风景,其精巧的工程结构也获得了众多工程专家的垂青。

据施工方中建一局建设发展公司介绍,工程外立面水的效果由ETFE(乙烯 四氟乙烯共聚物)膜结构来实现,与室内的实际水面交相辉映。膜结构的展开面积达到约30万平方米,是世界上规模最 大的膜结构工程,也是唯 一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑,无论对设计还是施工、使用都是一个极大的挑战。整个过程中ETFE膜的材料、通风空调、防火、声、光、电的控制等技术都遇到了很大的难题。

极具特点的膜结构

充气膜结构在引进消化国外原有技术基础上进行了大胆的自主创新,从设计到施工解决了许多国内外前所未有的课题,填补了多项国内外空白,形成了从设计、施工到监控、验收标准的一整套完整技术。

这个“装满泡泡的盒子”美丽、富有诗意地结合了泡沫与水,是抽象几何理论的具象化。“水立方”外表面由多个不同形状、不同大小、不同矢高的ETFE气枕组成,内层镀点膜与外层浅蓝膜在阳光下形成两个高光,使ETFE气枕体现出了近似水泡的特征。独特的对光线的控制形成了“水立方”在世界上所特有的整体建筑艺术效果。不同大小的气枕矢高均控制在跨度的12~15%,整体效果此起彼伏,充满立体感,建筑具有丰富的表现力。

在水立方之前,中国尚且没有使用ETFE膜材用于幕墙的先例。水立方整个建筑里面没有一根柱子,除4个入口采用玻璃外,其他地方如屋面、墙面主要采用ETFE充气膜材料。ETFE充气膜材料料质本身轻,保温、隔热性能良好,透光、防雨、具备自洁功能,它在欧洲运用了十几年,多用于冬季花园和游泳馆的覆盖,使用的最 大面积为3万平方米。在水立方工程中使用ETFE充气膜材在我国是第 一次。

在工程施工过程中,工程量比原设计方案增加了,再加上频繁的设计变更和大量的深化施工图设计工作,使施工难度增大。ETFE气枕所受风荷载较大,通过在部分充气膜外侧增加一层附加膜,增加了抗风压性能。

焊接、防水技术应用

据了解,由于建筑造型为充满水的立方体,为体现出不同形状的水滴充满整个空间的设计理念,屋面及支撑墙结构由延性空间刚框架结构构成水滴的骨架,里外两层框架分别外包ETFE膜结构,体现出水滴的流动状态。水滴的不规则形状决定了刚框架杆件空间变化的不规则性,导致刚框架杆件的空间性、多样性。钢结构共约6700吨,节点9843个,杆件数量将近20670根,对制作、现场测量、安装、焊接、卸载等提出了极高的要求。

为了实现多面体空间钢框架结构,需要在空中把一根根钢杆件当成气泡的边棱,逐个在空中按照设计好的位置固定,再与连接边棱的钢球焊接,制成气泡形状。跟钢材细碎的品种对应的是,制作钢构件时的机械化加工率也很低。水立方的外墙和里层由上千个气泡组成,而要把钢梁拼成气泡形状、找到钢梁在空中的准确位置非常困难。

立面ETFE气枕焊缝位置自上至下贯穿一线。气枕剪裁及焊接技术对此提供了强有力的保障。在对ETFE膜材进行剪裁时,运用了ETFE气枕找形测试架及气枕预成型技术。焊接时运用了直线焊接技术,其优点在于焊接精度高、焊接强度好、焊接效率高,对于超大型气枕还使用了特制的加长焊接设备。

该项目防水方面的做法也可圈可点。据了解,水立方采用了多重密封防水构造,具有良好的密封性。墙面密封系统采用“铝型材+复合胶条”形式,在气枕连接处形成三道密封、两个等压腔。复合胶条是由三元乙丙实体和海绵体复合而成,该种胶条的采用,很好地解决了水密问题,同时优化了外视效果,使现场安装更加方便、快捷,并在建筑的外表面形成了连续的防水屏障。排水方面,气枕夹具设有内部排水系统,使渗入到夹具内的水通过排水通道排到室外。天沟内采用优质防水及保温材料,并与虹吸排水系统紧密联系。这种结构形式的采用,使屋面更好发挥其防水功能。

水立方工程共应用住房和城乡建设部推广的建筑业10项新技术中的45个子项新技术。多项新技术的应用,特别是钢结构、膜结构及复杂机电技术的应用,极大满足了国家游泳中心工程的使用功能的要求,提升了各相关行业的整体水平,多项技术填补了国内空白,达到了国际先进水平,为大型体育场馆、多面体刚架结构、ETFE气枕的推广应用提供了参考价值。

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